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3D打印

近日
，华中科技大学张海鸥教授团队的“智能微铸锻铣复合制造技术”破解了困扰金属3D打印的世界级技术难题
，实现了我国首超西方的微型边铸边锻的颠覆性原始创新

。下面我们来深入了解一下3D打印
。

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什么是3D打印

       根据美国材料与试验协会（ASTM）的定义：3D打印（3D Printing）是借助三维数字模型设计，通过软件分层离散和数控成型系统

，利用激光束
、电子束等方法将金属粉末
、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型

，制造出实体产品。在概念上，它同义于工业专业术语中的“增材制造”（Additive Manufacturing）。

2

3D打印原理

       3D打印技术的基本原理是
：将一个在电脑中设计好的或者通过扫描方式完成的三维立体零件模型，沿空间某一坐标轴切成许多个一定厚度的剖面
，切剖面的过程可以按微积分的思想去理解，然后通过打印机由下向上一层一层将每一剖面打印出来
，再将剖面粘结起来，就会得到所需零件的实体

。简单的说就是“分层制造

、逐层叠加”
。

光固化立体成型（Stereo Lithography Appa⁃ratus，SLA）

       固化立体成型是指用激光束照射装在树脂液槽中的光敏树脂，使其能够由点到线、由线到面顺序快速固化，然后升降台下降一个层片的高度，再固化第二个片层

，这样层层叠加不断重复
，直到整个模型成型完成。

 

分层实体制造（Laminated Object Manufac⁃turing，LOM）

       分层实体制造是以片材为原材料，在片材表面事先覆盖一层热熔胶，加工时热压辊热压片材
，使之与下面已成型的工件粘接，再利用激光在刚粘结的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格，激光切割完成后工作台带动已成型的工件下降
，与带状片材分离，供料机构再次使新层移动到加工区域
，工作台上升到加工平面


，热压辊加热，工件的层数增加一层
，高度增加一个料厚，再在新层上切割截面轮廓
。如此反复直至零件的所有截面粘接
、切割完成，得到分层制造的实体零件
。

选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）

       选择性激光烧结使用粉末材料作为造型材料
，加工时将粉末材料加热到接近于其熔点的温度
，再利用辊子将粉末铺平，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后

，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉。控制激光束再扫描烧结新层
。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。

 

熔积成型（Fused Deposition Modeling ,FDM）

       熔积成型是利用电将丝状热熔性材料加热至略高于熔点温度
，在计算机控制下喷头根据截面轮廓信息
，将材料选择性的涂敷在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成型完成后，喷头上移一层截面的高度
，再次涂敷下一层
，这样逐层堆积直至形成完整的三维工件
。

 

3

3D打印技术进展及应用

       2016年3D打印取得了很多创新性进展，瑞士科学家采用“纳米液滴”3D打印来进行创新制造更高性能触摸屏
；麻省理工制作激光雷达芯片，成本低速度快；英国的格拉斯哥大学及防务公司BAE Systems的研发团队共同研发合作的3D打印军用无人机Chemputer计划能够“生长”出从机翼到电子系统在内的所有部件；德国Fraunhofer多材料打印技术
， 用于非常复杂部件打印
；哈佛大学3D打印带血管的人工组织；这些科技进展同时促进了3D打印在各个领域的应用

。

航空航天领域

       国外企业和研究机构利用3D打印技术不仅打印出了飞机、导弹、卫星的零部件，还打印出了发动机、无人机整机
，在成本、周期、质量等方面取得了显著效益，充分显示了3D打印技术在该领域的应用前景。

汽车领域

      3D打印在汽车领域中的应用主要集中在设计验证和零件制造上
。设计验证包括快速原型、概念模型和功能部件设计

。汽车知名生产商如奥迪、宝马、奔驰
、美洲豹
、通用
、大众
、丰田和保时捷等已经在汽车的研发阶段大量使用3D打印技术。

生物医药

       3D打印技术可以应用在个性化药物制造
、临床治疗方案辅助设计、定制个性化医疗器械
、组织工程材料、体外医学模型等医学领域。

建筑领域

      与传统建筑施工工艺相比
，3D建筑打印技术有施工工期短、成本低、伤亡事故风险小、节省人员劳工
、建筑粉尘污染小。目前，3D打印技术在工程建筑模型中的初步应用。